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Si表面吸附及Si掺杂缺陷GaN磁性的研究

作　者: 张蕾
导　师: 邢怀中
学　校: 东华大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 第一性原理 Si(100)表面吸附稀磁半导体 GaN:Si 磁性
分类号: TN304.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

硅作为最重要的半导体材料,其表面结构及其外延生长一直是人们关注的研究课题。由于Au/Si界面在电子器件和表面催化方面的广泛应用,深入了解其微观结构与特性具有重要的意义。本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对Si各种表面结构进行了搭建和重构计算,并对Au在Si(100)p(2×2)表面上的吸附结构,电子性质以及Si对GaN的d0磁性的影响进行了研究,其主要结论如下：首先,研究了Si(100)表面p(2×1)、p(2×2)和c(4×2)三种常见重构的结构的不同结构,即是p(2×1)在表面两种不同的平行排列方式。计算不同重构Si(100)表面结构中不对称(duckled)二聚体(dimer)能量,不对称二聚体p(2×1)和这两种交替排列的不对称二聚体结构的相互转化需要能量的下降而转变为另一种排列顺序,p(2×2)和c(4×2)两种重构结构中每个dimer之间的能量差很小,仅为4meV。对Si(100)p(2×2)表面进行电荷密度分析,结果表明Si(100)p(2×2)表面不对称二聚体中两个原子化学性质不同,Si-down原子中的电子转移到Si-up原子中,从而Si-up原子是少电子态,而Si-down原子是多电子态。其次,对单个Au原子在Si(100)p(2×2)表面上的吸附进行了研究,发现Au吸附在两个相邻平行dimer行之间沟槽的位置上是最稳定结构；对该结构的电子结构与电子性质的研究,发现Au原子的吸附饱和了表面悬挂键,而Au原子与表面硅原子形成具有部分离子键特性的共价键；另外,发现清洁Si表面能带结构中存在的两条能带,由于Au原子的吸附,在Au吸附Si(100)p(2×2)表面的能带结构中消失, Au原子饱和了Si(100)表面上一部分的悬挂键,使得整个体系中的带隙减小。而对Au3团簇在Si(100)p(2×2)表面上的吸附研究,发现吸附较佳的位置是在Si(100)p(2×2)表面沟槽处,Au3团簇中的一对Au键断裂,形成折线型Au链,其它两个Au-Au键的键长缩短；Au原子的增加使得整个体系中的能带间隙近一步减小。对在Au/Si(100)p(2×2)表面上吸附Cd和S的计算结果表明,S原子更易吸附在Au/Si(100)p(2×2)表面上。最后,利用第一性原理局域自旋密度近似方法对Si参杂GaN的d0铁磁性进行了研究。研究表明Ga空位缺陷会产生3μB的磁矩,而Si掺杂后对GaN d0铁磁性的影响明显；Si掺杂后缺陷诱导的GaN磁矩发生淬灭,磁矩减小到2μB,随Si含量的增加磁矩进一步减少。这一理论结果对实验有指导意义。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
第一章导论  10-29
  第一部分  10-17
    1.1 半导体Si材料的基本介绍  10-12
    1.2 表面及表面科学  12-16
    1.3 第一部分的研究内容  16-17
  第二部分  17-25
    1.1 稀磁半导体(DMS)  17-21
    1.2 稀磁半导体的研究进展  21-22
    1.3 GaN基稀磁半导体  22-24
    1.4 第二部分的研究内容  24-25
  参考文献  25-29
第二章研究方法及理论基础  29-43
  2.1 计算材料学概述  29-31
  2.2 基于量子力学从头算(ab initio)理论的密度泛函理论  31-39
  2.3 对基于密度泛函理论的计算软件包的介绍  39-41
  参考文献  41-43
第三章 Si(100)表面吸附的理论研究  43-64
  3.1 引言  43-46
  3.2 Si(100)表面重构的研究  46-53
  3.3 Si(100)p(2×2)表面Au吸附的研究  53-59
  3.4 结论  59-60
  参考文献  60-64
第四章 Si掺杂对缺陷诱导的GaN磁性的影响  64-80
  4.1 引言  64-65
  4.2 基本理论及结构模型  65-66
  4.3 计算结果及讨论  66-75
  4.4 结论  75-77
  参考文献  77-80
致谢  80-81
在读期间发表论文  81

Si表面吸附及Si掺杂缺陷GaN磁性的研究

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